Ma Lebegyev kísérletéről fogunk beszélni a fényfotonok nyomásának bizonyítására. Felfedjük ennek a felfedezésnek a fontosságát és a hozzá vezető hátteret.
A tudás kíváncsiság
Két nézőpont létezik a kíváncsiság jelenségével kapcsolatban. Az egyiket a "Kíváncsi Varvarának a piacon letépték az orrát", a másikat pedig a "kíváncsiság nem bűn" mondás fejezi ki. Ez a paradoxon könnyen feloldható, ha különbséget teszünk olyan területek között, amelyek iránt nem örvendetes, vagy éppen ellenkezőleg, szükség van az érdeklődésre.
Johannes Kepler nem arra született, hogy tudós legyen: apja harcolt a háborúban, anyja kocsmát tartott. De rendkívüli képességekkel rendelkezett, és természetesen kíváncsi volt. Ráadásul Kepler súlyos látáskárosodásban is szenvedett. De ő volt az, aki olyan felfedezéseket tett, amelyeknek köszönhetően a tudomány és az egész világ ott van, ahol most. Johannes Kepler híres arról, hogy tisztázza Kopernikusz bolygórendszerét, de ma a tudós egyéb eredményeiről fogunk beszélni.
Tehetetlenség és hullámhossz: középkori örökség
Ötvenezer évvel ezelőtt a matematika és a fizika a "Művészet" részhez tartozott. Ezért Kopernikusz a testek (beleértve az égieket is) mozgásának mechanikájával, valamint az optikával és a gravitációval foglalkozott. Ő volt az, aki bebizonyította a tehetetlenség létezését. A következtetésekbőlEz a tudós kifejlesztette a modern mechanikát, a testek kölcsönhatásának fogalmát, az érintkező tárgyak sebességének cseréjének tudományát. Kopernikusz a lineáris optika harmonikus rendszerét is kidolgozta.
Bevezetett olyan fogalmakat, mint:
- "fénytörés";
- "törés";
- "optikai tengely";
- "teljes belső visszaverődés";
- "megvilágítás".
Kutatásai végül bebizonyították a fény hullámtermészetét, és Lebegyev kísérletéhez vezettek a fotonok nyomásának mérésére.
A fény kvantumtulajdonságai
Először is érdemes meghatározni a fény lényegét, és beszélni arról, hogy mi is az. A foton egy elektromágneses mező kvantuma. Ez egy energiacsomag, amely a tér egészében mozog. Egy fotonból nem lehet "leharapni" egy kis energiát, de átalakítható. Például, ha egy anyag elnyeli a fényt, akkor a testen belül az energiája képes átalakulni, és más energiájú fotont bocsát ki. De formálisan ez nem ugyanaz a fénymennyiség, amelyet elnyeltek.
Példa erre egy tömör fémgolyó. Ha egy anyagdarab elszakad a felületétől, akkor az alakja megváltozik, megszűnik gömb alakú lenni. De ha az egész tárgyat megolvasztod, veszel egy kis folyékony fémet, majd a maradékokból egy kisebb golyót hozol létre, akkor az megint egy gömb lesz, de más, nem ugyanaz, mint korábban.
A fény hullámtulajdonságai
A fotonoknak hullám tulajdonságai vannak. Az alapvető paraméterek:
- hullámhossz (a teret jellemzi);
- frekvencia (jellemziidő);
- amplitúdó (az oszcilláció erősségét jellemzi).
Azonban az elektromágneses mező kvantumának a fotonnak is van terjedési iránya (hullámvektorként jelölve). Ezenkívül az amplitúdóvektor képes a hullámvektor körül forogni és hullámpolarizációt létrehozni. Több foton egyidejű kibocsátásával a fázis, pontosabban a fáziskülönbség is fontos tényezővé válik. Emlékezzünk vissza, hogy a fázis az oszcilláció azon része, amelyet a hullámfront egy adott időpillanatban (emelkedés, maximum, süllyedés vagy minimum) rendelkezik.
Tömeg és energia
Amint Einstein szellemesen bebizonyította, a tömeg energia. De minden konkrét esetben nehéz lehet olyan törvényt keresni, amely szerint az egyik érték a másikká változik. A fény összes fenti hullámjellemzője szorosan összefügg az energiával. Mégpedig: a hullámhossz növelése és a frekvencia csökkentése kevesebb energiát jelent. De mivel van energia, akkor a fotonnak tömeggel kell rendelkeznie, tehát enyhe nyomásnak kell lennie.
Tapasztalat szerkezete
Azonban, mivel a fotonok nagyon kicsik, tömegüknek is kicsinek kell lennie. Nehéz technikai feladat volt megépíteni egy olyan készüléket, amely azt kellő pontossággal képes meghatározni. Lebegyev Petr Nyikolajevics orosz tudós volt az első, aki megbirkózott vele.
Maga a kísérlet a torziós nyomatékot meghatározó súlyok tervezésén alapult. Ezüstszálra keresztlécet akasztottak. A végeihez egyforma vékony lemezek voltak rögzítveanyagokat. Leggyakrabban fémeket (ezüst, arany, nikkel) használtak Lebegyev kísérletében, de volt csillám is. Az egész szerkezetet egy üvegedénybe helyezték, amelyben vákuumot hoztak létre. Ezt követően az egyik lemezt megvilágították, míg a másik árnyékban maradt. Lebegyev tapasztalata bebizonyította, hogy az egyik oldal megvilágítása ahhoz vezet, hogy a mérleg forogni kezd. A tudós az eltérés szöge szerint ítélte meg a fény erősségét.
Tapasztalati nehézségek
A huszadik század elején nehéz volt kellően pontos kísérletet felállítani. Minden fizikus tudta, hogyan kell vákuumot létrehozni, üveggel dolgozni és felületeket polírozni. Valójában a tudást kézzel szerezték meg. Akkoriban még nem voltak olyan nagyvállalatok, amelyek több száz darabban gyártanák a szükséges berendezéseket. Lebegyev készülékét kézzel készítették, így a tudósnak számos nehézséggel kellett szembenéznie.
A vákuum ekkor még nem volt átlagos. A tudós egy speciális pumpával levegőt pumpált ki egy üvegkupak alól. De a kísérlet a legjobb esetben is ritka légkörben zajlott. Nehéz volt elkülöníteni a fénynyomást (impulzustranszfer) a készülék megvilágított oldalának melegítésétől: a fő akadályt a gáz jelenléte jelentette. Ha a kísérletet mélyvákuumban hajtanák végre, akkor nem lennének olyan molekulák, amelyeknek a Brown-mozgása a megvilágított oldalon erősebb lenne.
Az elhajlási szög érzékenysége sok kívánnivalót hagy maga után. A modern csavarkeresők a radián milliomod részeiig képesek mérni a szögeket. A tizenkilencedik század elején a skálát szabad szemmel lehetett látni. TechnikaAz idő nem tudta biztosítani a lemezek azonos súlyát és méretét. Ez viszont lehetetlenné tette a tömeg egyenletes elosztását, ami a nyomaték meghatározásában is nehézségeket okozott.
A menet szigetelése és szerkezete nagyban befolyásolja az eredményt. Ha a fémdarab egyik végét valamilyen okból jobban felhevítették (ezt hőmérséklet-gradiensnek nevezik), akkor a huzal enyhe nyomás nélkül elkezdhet csavarodni. Annak ellenére, hogy Lebegyev készüléke meglehetősen egyszerű volt, és nagy hibát adott, a fény fotonjai általi impulzusátvitel ténye beigazolódott.
Világítólapok formája
Az előző rész sok technikai nehézséget sorolt fel, amelyek a kísérlet során léteztek, de nem befolyásolták a fő dolgot - a fényt. Pusztán elméletileg úgy képzeljük el, hogy monokromatikus sugarak nyalábja esik a lemezre, amelyek szigorúan párhuzamosak egymással. De a huszadik század elején a fényforrás a nap, a gyertyák és az egyszerű izzólámpák voltak. Ahhoz, hogy a sugárnyaláb párhuzamos legyen, összetett lencserendszereket építettek. És ebben az esetben a forrás fényerősségi görbéje volt a legfontosabb tényező.
Fizika órán gyakran mondják, hogy a sugarak egy pontból származnak. A valódi fénygenerátoroknak azonban vannak bizonyos méretei. Ezenkívül az izzószál közepe több fotont bocsáthat ki, mint a szélei. Ennek eredményeként a lámpa egyes területeket jobban megvilágít körülötte, mint másokat. Azt a vonalat, amely egy adott forrásból azonos megvilágítás mellett az egész teret körbeveszi, fényerősség-görbének nevezzük.
Vérhold és részleges napfogyatkozás
A vámpírregények tele vannak szörnyű átalakulásokkal, amelyek az emberekkel és a természettel történnek a vérhold idején. De nem azt mondja, hogy ettől a jelenségtől nem kell félni. Mert ez a Nap nagy méretének az eredménye. Központi csillagunk átmérője körülbelül 110 Földátmérő. Ugyanakkor a látható korong egyik és másik széléről kibocsátott fotonok elérik a bolygó felszínét. Így amikor a Hold a Föld félárnyékába esik, nem takaródik el teljesen, hanem úgymond vörösre vált. A bolygó légköre is okolható ezért az árnyalatért: a narancssárga kivételével minden látható hullámhosszt elnyel. Ne feledje, a Nap napnyugtakor is vörösre válik, és mindezt pontosan azért, mert áthalad a légkör vastagabb rétegén.
Hogyan jön létre a Föld ózonrétege?
Egy aprólékos olvasó felteheti a kérdést: "Mi köze van a fénynyomásnak Lebegyev kísérleteihez?" A fény kémiai hatása egyébként annak is köszönhető, hogy a foton lendületet hordoz. Ez a jelenség ugyanis felelős a bolygó légkörének egyes rétegeiért.
Mint Ön is tudja, légóceánunk főként a napfény ultraibolya komponensét nyeli el. Ráadásul az élet ismert formában lehetetlenné válna, ha a föld sziklás felszínét ultraibolya fény fürdené. De körülbelül 100 km-es magasságban a légkör még nem elég vastag ahhoz, hogy mindent elnyeljen. Az ultraibolya pedig lehetőséget kap az oxigénnel való közvetlen kölcsönhatásra. Az O2 molekulákat széttöriszabad atomokat, és elősegíti ezek kombinációját egy másik módosításba - O3. Ez a gáz tiszta formájában halálos. Ezért használják levegő, víz, ruházat fertőtlenítésére. De a földi légkör részeként minden élőlényt megvéd a káros sugárzás hatásaitól, mivel az ózonréteg nagyon hatékonyan nyeli el az elektromágneses mező kvantumát a látható spektrum feletti energiákkal.
